Szczelinowanie hydrauliczne
Gaz w skale łupkowej jest uwięziony pod ciśnieniem w przestrzeniach porowych i otwartych szczelinach (gaz wolny) oraz zaabsorbowany na powierzchniach fragmentów organicznych i cząstkach mineralnych (gaz związany).
Podstawową metodą eksploatacji gazu ze skał łupkowych jest metoda szczelinowania hydraulicznego, polegająca na zatłaczaniu do skał łupkowych wody z domieszkami substancji chemicznych lub innego medium (np. dwutlenek węgla) pod znacznym ciśnieniem. Szczelinowanie może być przeprowadzone w części pionowej lub horyzontalnej otworu wiertniczego.
Do wytworzenia gwałtownego wzrostu ciśnienia powodującego rozsadzenie skały potrzebne jest użycie wielu pomp i zgromadzenie ogromnej ilości sprzętu i płynów szczelinujących na terenie wiercenia.
Proces szczelinowania hydraulicznego polega na zatłaczaniu w szczelnie odcięty odcinek otworu, o perforowanych rurach okładzinowych, płynu szczelinującego. Wzrost ciśnienia w otworze, do wartości przekraczającej najmniejsze naprężenie styczne do ściany otworu, powoduje pęknięcie skały w sąsiedztwie otworu i rozpoczęcie propagowania się szczeliny w obrębie łupków gazonośnych.
Szczelina hydrauliczna propaguje się zawsze w kierunku zbliżonym do oddziaływania największego naprężenia poziomego, przy ciśnieniu w szczelinie przekraczającym wartość najmniejszego współczesnego naprężenia. Wraz z płynem porowym w obręb nowo utworzonej siatki spękań jest zatłaczany proppant, stanowiący podsadzkę zapobiegającą zatrzaśnięciu się szczeliny po zakończeniu zatłaczania i spadku ciśnienia.
Po odkręceniu zaworów wstecznych na powierzchnię wypływa część płynów szczelinujących, których nie wchłonęły łupki i świeżo powstała przestrzeń szczelinowa.
Dzięki monitoringowi mikrosejsmologicznemu można rejestrować lokalizację subtelnych wstrząsów, wzbudzonych deformacją kompleksu łupkowego przez płyn szczelinujący i na tej podstawie określać zasięg szczelinowania. Warto zaznaczyć, że drgania wzbudzane zabiegiem szczelinowania są zwykle o ponad miliard razy słabsze, niż drgania odczuwalne przez człowieka na powierzchni ziemi. W wyjątkowych przypadkach może dojść do wzbudzenia silniejszego wstrząsu, jeżeli płyn szczelinujący uruchomi silnie naprężoną naturalnie strefę tektoniczną.
Alternatywną metodą stymulacji przypływu gazu jest przepłukanie otworu lub szczelinowanie ciekłym azotem lub dwutlenkiem węgla, które powoduje spadek ciśnienia hydrostatycznego płynu w otworze wzmagające przypływ gazu. Media te w przeciwieństwie do wody nie powodują pęcznienia substancji ilastej i aktywnie wypierają metan z solanki i powłok adsorpcyjnych, niemniej ich użycie znacznie podnosi koszt zabiegu i konstrukcji otworu.
Szczelinowanie, poprzez utworzenie sztucznej sieci spękań, umożliwia połączenie niewielkich przestrzeni wypełnionych gazem, a tym samym sczerpanie części gazu z objętości skały poddanej zabiegowi szczelinowania. Dodatkowo wypływ gazu powoduje spadek ciśnienia, co umożliwia rozpoczęcie procesu desorpcji (uwalniania) gazu związanego. W celu podtrzymania drożności przepływu gazu po zabiegu szczelinowania, w trakcie szczelinowania zatłaczana jest podsadzka, którą stanowi w większości przypadków piasek.
Istotą udanego zabiegu jest utworzenie jak najgęstszej sieci spękań, które dotrą do jak największej liczby mikroskopijnych dróg lokalnej migracji gazu w obrębie łupków, do których należą wszelkiej skali spękania i laminy bardziej zapiaszczone.
Przeważająca część badań zmierzających do rozpoznania kompleksów złożowych jest ukierunkowana na rozpoznanie parametrów mechanicznych łupków i ich naprężenia, tak żeby móc jak najprecyzyjniej zaplanować zabiegi szczelinowania hydraulicznego, niezbędne do udostępnienia złoża. Do zoptymalizowania tych zabiegów testuje się warianty płynów o różnej lepkości, ściśliwości, napięciu powierzchniowym, zawierające substancje aktywnie reagujące ze skałą, mające różną zdolność do przenoszenia proppantu, tzn. zawiesiny, która przeciwdziała zatrzaśnięciu się szczelin hydraulicznych.
Efekt szczelinowania można również zoptymalizować przez dobór optymalnego tempa wzrostu ciśnienia lub przez modulację ciśnienia oraz okresową zmienność składu płynów szczelinujących, a także przez dobór właściwej sekwencji szczelinowania w kilku otworach wierconych z jednej platformy (padu). Istotnym elementem projektowania zabiegów jest również przewidywanie barier geomechanicznych, ograniczających rozprzestrzenianie się szczelin hydraulicznych poza formacje złożowe.
autorzy: Marek Jarosiński, Hubert Kiersnowski
